(57)【要約】【課題】ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上を実現し、かつ耐久性が高い廃熱利用装置を提供する。【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、エンジン５と、エンジン５に対して加圧空気を供給するターボチャージャ７と、排気還流路としての配管１５、１６を有する駆動系１と、これに用いられるランキンサイクル３とを備えている。ランキンサイクル３は、第１ボイラ２７と、第２ボイラ２８と、第３ボイラ２９とを有している。また、ランキンサイクル３には、作動流体に第２ボイラ２８を迂回させるバイパス路４１と、三方弁４３とが設けられている。この廃熱利用装置では、第１〜３ボイラ２７〜２９によって作動流体を十分に加熱可能である他、バイパス路４１に作動流体を流入させることにより、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を低下させることが可能となっている。【選択図】図１
2013068137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第１ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第２ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第３ボイラとを有し、
該第３ボイラは、該第１ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
前記ランキンサイクルは、ポンプと、前記第１ボイラと、前記第２ボイラと、前記第３ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプから該第１ボイラ、該第２ボイラ、該第３ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に前記作動流体を循環させる配管とを有している請求項１記載の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記第１ボイラの下流で該配管から分岐し、該第２ボイラを迂回して該配管に合流するバイパス路と、該第２ボイラに流入する前記作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、
該流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えている請求項２記載の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記調整弁制御手段は、前記駆動系における出力要求、又は前記排気中における窒素酸化物の含有量に応じて前記流量調整弁を制御する請求項３記載の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の図２に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、第１、２ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、エンジンと、エンジンに加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクルにおける第１ボイラは、加圧空気と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第２ボイラは、エンジンの冷却水と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第２ボイラは、第１ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置している。また、第２ボイラの下流には膨張機が設けられている。
【０００３】
このような廃熱利用装置では、第１、２ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、膨張機に流入する作動流体の温度を高くすることが可能となる。また、この廃熱利用装置では、第１、２ボイラにおける熱交換により、加圧空気や冷却水を冷却することが可能となるため、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくするためには、膨張機内で膨張及び減圧された作動流体が好適に気化する必要がある。このことは、膨張機を保護して廃熱利用装置の耐久性を向上させる観点からも必要とされる。膨張機内における作動流体の膨張が不完全な場合、回収可能なエネルギーの量が小さくなるばかりか膨張機から液相の作動流体が流出する液バック現象が生じることで、膨張機が損傷するおそれも生じるためである。
【０００６】
そこで、膨張機内で作動流体を好適に膨張させるために、膨張機に流入させる作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが好ましい。
【０００７】
しかし、上記従来の廃熱利用装置では、第１、２ボイラによって作動流体を加熱可能であるものの、膨張機に流入する作動流体の温度は、第２ボイラ内で放熱された熱量、すなわち、エンジンのような内燃機関の冷却水の温度に依存することとなる。特に、冷却水の温度が低い状態にある場合、第１ボイラによって加熱された作動流体が逆に第２ボイラ内で冷却水に対して放熱を行うことで、膨張機に流入する作動流体の温度がより低下してしまう事態も生じ得る。これらのため、上記の廃熱利用装置では、スーパーヒートの状態まで作動流体を加熱し難く、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が不十分となるとともに、その耐久性も低下も懸念される。なお、第１ボイラ及び第２ボイラでの蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は回収エネルギーが低下してしまう。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上を実現し、かつ耐久性が高い廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第１ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第２ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第３ボイラとを有し、
該第３ボイラは、該第１ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させる。駆動系は、内燃機関と、この内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる排気還流路とを有している。ボイラは第１〜３ボイラを有している。
【００１１】
このため、この廃熱利用装置は、第１〜３ボイラにおける熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、内燃機関に対する冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。特に、冷却されることで還流排気は、その密度が増大することから、還流排気は内燃機関に好適に還流、つまり、内燃機関に吸気されることとなる。このため、内燃機関を好適に作動させることが可能となる。さらに、このように冷却された還流排気を内燃機関に還流させることで、大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。
【００１２】
また、この際、発明者らの知見によれば、加圧空気の温度は約１５０°Ｃ程度であるのに対し、内燃機関で生じた排気の温度は約５００°Ｃ程度となっている。本発明に係るランキンサイクルでは、第３ボイラが第１ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置していることから、作動流体は第３ボイラによって十分に加熱される。これにより、蒸発圧力を下げることなく、膨張機に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となる。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、膨張機内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機内で液化することも防止される。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機も損傷し難くなる。
【００１３】
また、この廃熱利用装置では、第１ボイラに流入する作動流体の温度が第３ボイラから流出する作動流体の温度よりも低い状態となる。このため、第１ボイラにおいて加圧空気を好適に冷却させることが可能となり、内燃機関に対してより多くの加圧空気を供給することが可能となる。
【００１４】
したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。
【００１５】
内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。
【００１６】
ここで、内燃機関としてガソリンエンジン又はガソリンエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気（還流排気）を吸気させることで、これらの各エンジンではポンピングロスが抑制されることとなる。また、内燃機関としてディーゼルエンジン又はディーゼルエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気（還流排気）を吸気させることで、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となる。
【００１７】
ランキンサイクルは、ポンプと、第１ボイラと、第２ボイラと、第３ボイラと、膨張機と、凝縮器と、ポンプから第１ボイラ、第２ボイラ、第３ボイラ及び膨張機を経て凝縮器に作動流体を循環させる配管とを有していることが好ましい（請求項２）。この場合、第１〜３ボイラのうち、第１ボイラが作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第１ボイラに流入する作動流体の温度が最も低い状態となる。このため、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、内燃機関の出力をより向上させることが可能となる。また、第３ボイラが作動流体の循環方向の最も下流側に位置するため、第３ボイラによって加熱された作動流体が他の第１、２ボイラにおいて放熱されることがない。このため、膨張機に流入する作動流体の温度が十分に高い状態となり、膨張機において作動流体が好適に膨張し、回収可能なエネルギーの量がより大きくなるとともに、膨張機の損傷が好適に防止される。
【００１８】
上記のように、ランキンサイクルにおいて、作動流体の循環方向で第１ボイラ、第２ボイラ、第３ボイラの順に位置させた場合、第２ボイラにおける熱交換によって作動流体が加熱された結果、第３ボイラに流入する作動流体の温度が高くなる。この場合、第３ボイラでは、排気還流路内の還流排気が十分に冷却されず、ひいては排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減できないことが懸念される。
【００１９】
このため、この廃熱利用装置では、第１ボイラの下流で配管から分岐し、第２ボイラを迂回して配管に合流するバイパス路と、第２ボイラに流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えていることが好ましい（請求項３）。
【００２０】
この場合、第１ボイラから流出した作動流体をバイパス路に流入させることで、作動流体に対し、第２ボイラにおける熱交換を回避させることが可能となる。これにより、第３ボイラに流入する作動流体の温度を低くすることができる。このため、排気還流路内の還流排気を十分に冷却でき、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることができる。
【００２１】
また、この廃熱利用装置では、調整弁制御手段が流量調整弁を制御することにより、第２ボイラに流入する作動流体の流量と、バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能である。このため、内燃機関の冷却を行いつつ、第３ボイラに流入する作動流体の温度を調整することで、内燃機関の冷却と、排気還流路内の還流排気の冷却とを好適に行うことが可能となる。
【００２２】
調整弁制御手段は、駆動系における出力要求、又は排気中における窒素酸化物の含有量に応じて流量調整弁を制御することが好ましい（請求項４）。
【００２３】
例えば、駆動系における所定値以上の出力要求がされた場合の他、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えた場合には、排気還流路内の還流排気について、十分な冷却が求められる。このため、これらの場合には、第２ボイラに流入する作動流体の流量よりもバイパス路に流入する作動流体の流量を多くすることで、第３ボイラに流入する作動流体の温度を低下させることが可能となる。これにより、第３ボイラにおいて、排気還流路内の還流排気を十分に冷却することが可能となる。このため、内燃機関における吸気温度が低下し、内燃機関における燃焼温度が低下することから、排気中の窒素酸化物の含有量を低下させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体が第１ボイラを経て第２ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。
【図３】実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体がバイパス路を経て第３ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、バイパス路４１と、三方弁４３と、制御装置１１とを備えている。
【００２８】
駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、ラジエータ９と、排気管流路としての配管１５、１６とを有している。
【００２９】
エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。
【００３０】
ターボチャージャ７及びラジエータ９もそれぞれ公用品が採用されている。ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ９には、その内部に冷却水を流入させる流入口９ａと、冷却水を流出させる流出口９ｂとが形成されている。ラジエータ９は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ９の近傍には、電動ファン９ｃが設けられている。この電動ファン９ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。
【００３１】
エンジン５とターボチャージャ７とは配管１３、配管１７及び配管１８によって接続されている。また、配管１７と配管１８には後述する第１ボイラ２７が接続されている。配管１３は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ｃとターボチャージャ７とに接続されている。また、配管１７は内部を加圧空気が流通可能となっており、配管１８は内部を加圧空気及び還流排気が流通可能となっている。配管１７はターボチャージャ７と、第１ボイラ２７の第１流入口２７ａとに接続されている。配管１８は第１ボイラ２７の第１流出口２７ｂと、エンジン５の吸気口５ｄとに接続されている。
【００３２】
さらに、ターボチャージャ７には、配管１４、１９の各一端側が接続されている。配管１４の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管１９の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管１４は、ターボチャージャ７を介して配管１３と連通している。同様に、配管１９は、ターボチャージャ７を介して配管１７と連通している。
【００３３】
配管１５、１６は内部を排気の一部である還流排気が流通可能となっている。配管１５の一端側は配管１３に接続されている。同様に、配管１６の一端側は配管１８に接続されている。また、配管１５の他端側は後述する第３ボイラ２９の第５流入口２９ａに接続されている。配管１６の他端側は第３ボイラ２９の第５流出口２９ｂに接続されている。さらに、配管１５には可変バルブ２１が設けられている。この可変バルブ２１は制御装置１１に電気的に接続されている。配管１５、１６は還流排気について、第３ボイラ２９を経由させつつ配管１８に合流させることで、エンジン５の排出口５ｃから排出された排気の一部を還流排気として吸気口５ｄからエンジン５内へ還流させる。なお、配管１５の一端側は配管１４に接続されても良い。この場合、配管１６の一端側は配管１９に接続される。
【００３４】
一方、エンジン５とラジエータ９とは配管２３〜２５によって接続されている。また、配管２３と配管２４とには後述する第２ボイラ２８が接続されている。配管２３〜２５は内部を冷却水が流通可能となっている。配管２３は、エンジン５の流出口５ａと第２ボイラ２８の第３流入口２８ａとに接続されている。配管２４は第２ボイラ２８の第３流出口２８ｂと、ラジエータ９の流入口９ａとに接続されている。配管２５は、ラジエータ９の流出口９ｂと、エンジン５の流入口５ｂとに接続されている。配管２４には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２３又は配管２４に設けられても良い。
【００３５】
ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２と、第１ボイラ２７と、第２ボイラ２８と、第３ボイラ２９と、膨張機３１と、凝縮器３３と、配管３５〜４０とを有している。このランキンサイクル３は、上記のバイパス路４１及び三方弁４３が一体に組み付けられている。配管３５〜４０及びバイパス路４１には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。なお、第２電動ポンプＰ２及び三方弁４３がそれぞれポンプ及び流量調整弁に相当している。
【００３６】
第１ボイラ２７には、第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと、第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄとが形成されている。また、第１ボイラ２７内には、両端側でそれぞれ第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと連通する第１通路２７ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄと連通する第２通路２７ｆとが設けられている。この第１ボイラ２７では、第１通路２７ｅ内の加圧空気と、第２通路２７ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。なお、第１ボイラ２７、第２ボイラ２８では熱源（加圧空気及び冷却水）と作動流体とが同一方向に流れるように図示されているが、熱交換をより効率的に行なうために、第３ボイラ２９のように双方を異なる方向（対向流）としても良い。
【００３７】
第２ボイラ２８には、第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと、第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄとが形成されている。また、第２ボイラ２８内には、両端側でそれぞれ第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと連通する第３通路２８ｅと、両端側でそれぞれ第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄと連通する第４通路２８ｆとが設けられている。この第２ボイラ２８では、第３通路２８ｅ内の冷却水と、第４通路２３ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却水の冷却と作動流体の加熱とを行う。
【００３８】
第３ボイラ２９には、第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと、第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄとが形成されている。また、第３ボイラ２９内には、両端側でそれぞれ第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと連通する第５通路２９ｅと、両端側でそれぞれ第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄと連通する第６通路２９ｆとが設けられている。この第３ボイラ２９では、第５通路２９ｅ内の還流排気と、第６通路２９ｆ内の作動流体との熱交換により、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
【００３９】
膨張機３１には、その内部に作動流体を流入させる流入口３１ａと、作動流体を流出させる流出口３１ｂとが形成されている。膨張機３１では、第３ボイラ２９を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３１には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３１の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
【００４０】
凝縮器３３には、その内部に作動流体を流入させる流入口３３ａと、作動流体を流出させる流出口３３ｂとが形成されている。凝縮器３３は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３１での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３３の近傍には電動ファン３３ｃが設けられている。この電動ファン３３ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。
【００４１】
バイパス路４１は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に第２ボイラ２８を迂回させる。三方弁４３は、作動流体を第２ボイラ２８に全て流入させる場合と、作動流体をバイパス路４１に全て流入させる場合とを択一的に切り替え可能な切替弁である。この三方弁４３は制御装置１１に電気的に接続されている。
【００４２】
これらの第１〜３ボイラ２７〜２９、膨張機３１、凝縮器３３、バイパス路４１及び三方弁４３は、配管３５〜４０によって接続されている。具体的には、凝縮器３３の流出口３３ｂと第１ボイラ２７の第２流入口２７ｃとは、配管３５によって接続されている。第１ボイラ２７の第２流出口２７ｄと三方弁４３とは、配管３６によって接続されている。三方弁４３と第２ボイラ２８の第４流入口２８ｃとは、配管３７によって接続されている。第２ボイラ２８の第４流出口２８ｄと第３ボイラ２９の第６流入口２９ｃとは、配管３８によって接続されている。第３ボイラ２９の第６流出口２９ｄと、膨張機３１の流入口３１ａとは、配管３９によって接続されている。そして、膨張機３１の流出口３１ｂと凝縮器３３の流入口３３ａとは、配管４０によって接続されている。また、バイパス路４１の一端側は三方弁４３と接続されており、その他端側は配管３８と接続されている。
【００４３】
第２電動ポンプＰ２は配管３５に設けられている。この第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２及び図３に示すように、第２電動ポンプＰ２から第１ボイラ２７、第２ボイラ２８又はバイパス路４１、第３ボイラ２９及び膨張機３１を経て凝縮器３３に至る順で配管３５〜４０内を循環する。つまり、第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、ランキンサイクル３における作動流体の流通方向において、第１ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置する。そして、第１ボイラ２７の下流に第２ボイラ２８が位置し、第３ボイラ２９が第２ボイラ２８の下流側に位置する。また、バイパス路４１は、第３ボイラ２９の上流側に位置している。同様に、三方弁４３は第１ボイラ２７の下流側であって、第２ボイラ２８及びバイパス路４１の上流側に位置している。
【００４４】
図１に示すように、制御装置１１は、電動ファン９ｃ、３３ｃの作動制御を行うことで、冷却水又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御を行う。さらに、制御装置１１は、駆動系１による出力要求等の検出値に基づくマップを記憶しており、このマップによって、可変バルブ２１の開閉制御と、三方弁４３の切り替え制御とを行う。これにより、制御装置１１は調整弁制御手段として機能する。この制御装置１１では、上記のような、駆動系１による出力要求に基づくのではなく、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えることを直接又は間接的に検知することにより、可変バルブ２１の開閉制御と、三方弁４３の切り替え制御とを行うことも可能である。
【００４５】
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
【００４６】
図２に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管１３内を流通する。この際、制御装置１１は可変バルブ２１を開制御し、配管１３内を流通する排気の一部を配管１５内に流入させる（同図の一点鎖線矢印参照）。なお、制御装置１１は、駆動系１における出力要求が大きくなるにつれて、排気がより多く配管１５内へ流通するように、可変バルブ２１の開度を制御する。
【００４７】
配管１５へ流入せずに配管１３を流通する排気は、ターボチャージャ７及び配管１４を経てマフラから車外に排出される（同一点鎖線矢印参照）。この際、排気によってターボチャージャ７が作動される。これにより、車外の空気が配管１９よりターボチャージャ７に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管１７、第１ボイラ２７の第１通路２７ｅ及び配管１８を経てエンジン５の吸気口５ｄよりエンジン５内へ吸入される（同図の二点鎖線矢印参照）。
【００４８】
一方、配管１５に流入した排気、すなわち還流排気は、第３ボイラ２９の第５通路２９ｅ及び配管１６を経て配管１８に至り、配管１８内の加圧空気とともにエンジン５内へ吸入される。
【００４９】
また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン９ｃ、３３ｃをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系１では、エンジン５の冷却を行った冷却水が流出口５ａより流出して、配管２３、第２ボイラ２８の第３通路２８ｅ及び配管２４を経てラジエータ９の流入口９ａよりラジエータ９の内部に至る。そして、ラジエータ９の内部の冷却水は、ラジエータ９の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却水は流出口９ｂから流出し、配管２５を経てエンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入してエンジン５の冷却を行う（同図の破線矢印参照）。
【００５０】
そして、ランキンサイクル３では、制御装置１１が三方弁４３の切り替え制御を行う。具体的には、駆動系１による出力要求が所定値を下回る場合には、三方弁４３により配管３６と配管３７とが連通され、配管３６、３７とバイパス路４１とが非連通とされる。
【００５１】
これにより、同図の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体は、配管３５を経て第１ボイラ２７の第２流入口２７ｃから第２通路２７ｆに至る。そして、作動流体は第１ボイラ２７において加圧空気と熱交換される。この際、第１通路２７ｅを流通する加圧空気はターボチャージャ７によって圧縮されることにより約１５０°Ｃ程度の熱を有しているため、第２通路２７ｆを流通する作動流体は高い温度で加熱される。一方、第１通路２７ｅを流通する加圧空気は、第２通路２７ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でエンジン５に至ることとなる。
【００５２】
第１ボイラ２７において加熱された作動流体は第２流出口２７ｄから流出し、配管３６及び配管３７を経て第２ボイラ２８の第４流入口２８ｃから第４通路２８ｆに至る。そして、作動流体は第２ボイラ２８において冷却水と熱交換される。この際、第３通路路２８ｅを流通する冷却水はエンジン５の廃熱によって約８０〜９０°Ｃ程度の熱を有している。また、第４通路２８ｆを流通する作動流体は、第１ボイラ２７において既に一定程度加熱された状態にあるため、第２ボイラ２８において、より加熱されることとなる。一方、第３通路２８ｅを流通する冷却水は、第４通路２８ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でラジエータ９に至ることとなる。
【００５３】
第２ボイラ２８において加熱された作動流体は第４流出口２８ｄから流出し、配管３８を経て第３ボイラ２９の第６流入口２９ｃから第６通路２９ｆに至る。そして、作動流体は第３ボイラ２９において還流排気と熱交換される。この際、第５通路２９ｅを流通する還流排気はエンジン５の作動状況により、約５００°Ｃ程度の熱を有することとなる。このため、第１、２ボイラ２７、２８において加熱されている作動流体は、第３ボイラ２９において十分に加熱されることとなる。一方、第５通路２９ｅを流通する還流排気は、第６通路２９ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で加圧空気とともにエンジン５に還流することとなる。
【００５４】
こうして、第１〜３ボイラ２７〜２９によって十分に加熱されることにより、作動流体は、スーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態の高温高圧の状態で第６流出口２７ｄから流出し、配管３９を経て膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３１内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３１に接続された発電機は発電を行う。
【００５５】
膨張機３１内で減圧された作動流体は流出口３１ｂから流出し、配管４０を経て凝縮器３３の流入口３３ａから凝縮器３３内へ至る。凝縮器３３の作動流体は、凝縮器３３の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３３ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３３ｂから流出し、配管３５を経て再び第１ボイラ２７に至ることとなる。
【００５６】
一方、駆動系１による出力要求が所定値以上となった場合、例えば、アクセルの開度が所定値以上となった場合には、制御装置１１は、三方弁４３の切り替え制御を行う。これにより、図３に示すように、配管３６とバイパス路４１とが連通され、配管３６及びバイパス路４１と配管３７とが非連通とされる。
【００５７】
これにより、同図の実線矢印に示すように、第１ボイラ２７を経た作動流体はパイパス路４１に流入する。そして、このバイパス路４１内の作動流体は、第２ボイラ２８を迂回しつつ、配管３８から第３ボイラ２９の第６通路２９ｆに至る。
【００５８】
ここで、バイパス路４１を流通した作動流体は、第２ボイラ２８における熱交換が行われていないため、上記の図２に示す状態よりも低温の状態で第３ボイラ２９に流入することとなる。このため、第３ボイラ２９における熱交換では、作動流体は還流排気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、第５通路２９ｃ内の還流排気はより冷却されることとなる。
【００５９】
第３ボイラ２９によって加熱された作動流体は、第６流出口２９ｄから流出し、図２に示す場合と同様、膨張機３１によって膨張及び減圧された後、凝縮器３３によって放熱されることとなる。
【００６０】
このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、第１〜３ボイラ２７〜２９における熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。
【００６１】
これらの第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、第３ボイラ２９では、約５００°Ｃ程度の温度となった還流排気と作動流体とが熱交換されるため、作動流体は第３ボイラ２９によって十分に加熱される。また、図２に示すように、ランキンサイクル３において、第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、第１ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第１ボイラ２７に流入する作動流体の温度が最も低い状態となっている。これにより、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、加圧空気の密度が増大することで、より多くの加圧空気をエンジン５に供給することが可能となっている。このため、エンジン５の出力をより向上させることが可能となっている。
【００６２】
特に、この廃熱利用装置では、排気還流路としての配管１５、１６がそれぞれ配管１３及び配管１８に接続されている。このため、この廃熱利用装置では、冷却された還流排気を還流してエンジン５に吸気させることが可能となっている。この際、第３ボイラ２９における熱交換による冷却で配管１６及び配管１８内を流通する還流排気の密度が増大することから、これらの配管１６及び配管１８内の還流排気はエンジン５に好適に還流されることとなる。このように冷却された還流排気をエンジン５に還流させることで、この廃熱利用装置では、最終的に配管１４及びマフラを経て大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を十分に低減させることも可能となっている。
【００６３】
また、駆動系１における出力要求等のいくつかの検出値を用いたマップ制御により可変バルブ２１が開制御されるため、特定の条件下ではエンジン５に還流される還流排気の量が大きくなる場合がある。この際には、第５通路２９ｅを流通する還流排気の流量が多くなるとともに、第３ボイラ２９における熱交換により、これらの還流排気を好適に冷却させて還流させることが求められる。このため、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を可及的に低下させることが必要となる。
【００６４】
ここで、上記のように、ランキンサイクル３において、作動流体の循環方向で第１ボイラ２７、第２ボイラ２８、第３ボイラ２９の順に位置させた場合、第２ボイラ２８における熱交換によって作動流体が加熱された結果、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度が高くなってしまう。
【００６５】
このため、この廃熱利用装置では、駆動系１における出力要求が高くなり、出力要求が所定値を超えた場合、図３に示すように、バイパス路４１作動流体を全て流入させることにより、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させることが可能となっている。
【００６６】
こうして、この廃熱利用装置では、作動流体に対し、第２ボイラ２８における熱交換を回避させることで、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９において、第５通路２９ｅ内の還流排気を十分に冷却することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、駆動系１において、低燃費を狙い、その出力を低回転で実現するために空気密度を上げるとともに、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることが可能となっている。
【００６７】
ここで、このように、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させることにより、第２ボイラ２８における熱交換によって、第３通路２８ｅ内の冷却水を冷却できなくなる。このため、このような場合には、制御装置１１が電動ファン９ｃの作動量を大きくすることで、ラジエータ９における冷却水の放熱量を多くさせる。これにより、この廃熱利用装置では、駆動系１における出力要求が所定値を超えた状態であっても、エンジン５を好適に冷却させることが可能となる。また、第２ボイラ２８における熱交換が行われていない状態であっても、上記のように第５通路２９ｅ内の還流排気は非常に高温であることから、第３ボイラ２９において作動流体は十分に加熱されることとなる。
【００６８】
そして、これらのように、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させる場合であっても、第２ボイラ２８を迂回さない場合（図２参照）であっても、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９が作動流体の循環方向の最も下流側に位置する。このため、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９によって加熱された作動流体が他の第１、２ボイラ２７、２８において放熱されることがない。このため、この廃熱利用装置では、膨張機３１に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機３１における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となっている。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、この廃熱利用装置では、膨張機３１内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機３１内で液化することも防止されている。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３において回収可能な電力の量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機３１も損傷し難くなっている。なお、第１〜３ボイラ２７〜２９での蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源（加圧空気、冷却水及び還流排気）でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は膨張機３１での回収エネルギーが低下してしまう。この点、この廃熱利用装置によれば、蒸発圧力の低下を伴うことなく作動流体のスーパーヒートを確保することができる。
【００６９】
したがって、この廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル３における電力の回収量の向上を図りつつ、エンジン５の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。
【００７０】
特に、この廃熱利用装置では、駆動系１における所定値以上の出力要求に基づいて、制御装置１１が三方弁４３の切り替え制御を行うため、ランキンサイクル３における電力の回収量の向上と、エンジン５の出力の向上とを両立させ易くなっている。
【００７１】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７２】
例えば、三方弁４３に替えて、第２ボイラ２８に流入する作動流体の割合と、バイパス路４１に流入する作動流体の割合とを任意に変更可能な流量調整弁を採用しても良い。この場合、第２ボイラ２８を経た作動流体と、バイパス路４１を経た作動流体とが配管３８において合流した後、第３ボイラ２９に流入することとなる。この際、第２ボイラ２８において加熱された作動流体の割合により、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を調節することが可能となる。これにより、駆動系１における出力要求に応じて、エンジン５に還流される還流排気の温度をより適切な状態とすることが可能となる。
【００７３】
さらに、配管４０には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３３を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３５〜４０やバイパス路４１を好適に循環することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は車両等に利用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン（内燃機関）
７…ターボチャージャ（過給器）
１１…制御装置（調整弁制御手段）
１５、１６…配管（排気還流路）
２７…第１ボイラ
２８…第２ボイラ
２９…第３ボイラ
３１…膨張機
３３…凝縮器
３５〜４０…配管
４１…パイパス路
４３…三方弁（流量調整弁）
Ｐ２…第２電動ポンプ（ポンプ）
【図１】
2013068137.tif 000003
【図２】
2013068137.tif 000004
【図３】
2013068137.tif 000005